Охладить CPU в ЦОД — поможет лазерная 3D-печать

В Университете Бингемтон (Нью-Йорк) разработали новую технологию для охлаждения процессоров, которая позволит отказаться от термопасты. Теплопроводящий материал наносится прямо на поверхность чипа при помощи 3D-печати. По оценкам экспертов, их решение способно понизить рабочую температуру процессоров в дата-центрах на 10°C.

Расскажем о технологии и поговорим о других экспериментальных методах охлаждения CPU.

^[1]
/ фото artistic bokeh ^[2] CC BY-SA ^[3]

Как напечатать «металлическую термопасту»

Разработчики технологии нанесли ^[4] на кристалл процессора тонкий слой металлического сплава с высокой теплопроводностью и с помощью лазера «напечатали» в нем каналы для охлаждающей жидкости. Для этого использовался метод селективного лазерного спекания ^[5].

На кремниевой поверхности равномерно распределяется слой металлического порошка. Затем включается лазер и луч, направляемый подвижными зеркалами, сплавляет частицы между собой согласно сгенерированной 3D-модели. Процедура повторяется множество раз — на каждой итерации формируются различные срезы финального изделия. Само лазерное спекание происходит ^[6] менее чем за секунду.

Сплав, который наносят на чип, состоит из титана, олова и серебра. Последние два нужны для снижения температуры плавления материала. Таким образом, металл дольше остается в жидком состоянии, что помогает избежать деформации слоя из-за резкого затвердевания.

Селективное лазерное спекание позволило сформировать металлический слой толщиной в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Это дает возможность охлаждающей жидкости забирать излишки тепла прямо с чипа и исключает необходимость в термопасте.

Что может эта технология

Специалистам удалось получить сплав с теплопроводностью ^[7] в 39 Вт/(м•K), что в семь раз лучше, чем у других материалов для термоинтерфейсов ^[8] — термопаст или полимерных компаундов. Это позволило снизит температуру чипа на 10°C, по сравнению с другими системами охлаждения.

Новая технология призвана решить две задачи: снизить затраты на электроэнергию в дата-центрах и продлить срок службы процессоров (так как они будут меньше перегреваться). По словам разработчиков, изобретение сократит энергопотребление мировых ЦОД на 5% и позволит ИТ-индустрии экономить до 438 миллионов долларов ежегодно.

Пока технологию испытали только в лабораторных условиях и неизвестно, как она будет работать в реальных дата-центрах. Однако уже в ближайшее время исследователи планируют запатентовать свою технологию и провести необходимые тесты.

Кто еще экспериментирует с охлаждением чипов

Не только в Университете Бингемтон работают над технологиями охлаждения чипов. Их коллеги из Калифорнийского университета впервые синтезировали сверхчистые кристаллы арсенида бора, обладающие высокой теплопроводностью. Полученное значение приблизилось к 1300 Вт/(м•K), в то время как у алмаза (который считается одним из рекордсменов по теплопроводности) она составляет 1000 Вт/(м•K).

Новая технология позволит создавать эффективные системы отвода тепла в электронике и фотонике. Однако для этого нужно решить ряд задач. Арсенид бора сложно получать в промышленных масштабах — при синтезе кристаллов часто возникают ^[9] дефекты, а в производстве материала используются токсичные соединения мышьяка.

Исследователи из Калифорнийского университета тоже работают над решением проблемы отведения тепла от процессоров. Они предложили ^[10] изменить структуру самого чипа. Идея состоит в том, чтобы создать такую структуру кристалла кремния, в которой фононы (квазичастицы, осуществляющие передачу тепла) будут переносить тепло с максимальной скоростью.

Их технология получила название «дырчатого кремния». В плате просверливаются крошечные отверстия диаметром в 20 нм, которые ускоряют теплоотведение. В случае с оптимальным расположением отверстий, теплопроводность кремниевой пластины возрастает ^[11] на 30%.

Этот способ пока далек от реализации — готова лишь модель. Следующий шаг — изучить потенциал технологии и возможность применения в реальных системах.

/ фото PxHere ^[12] PD

Что дальше

До практической реализации новых технологий теплоотведения пока далеко. Все они находятся или на стадии концепции, или на стадии прототипирования. Хотя они обладают хорошим потенциалом, о широком их внедрении на рынке ЦОД говорить пока не приходится.

По этой причине сейчас дата-центры экспериментируют ^[13] с другими способами охлаждения. Один из последних трендов — жидкостное охлаждение. По данным ^[14] опроса Uptime Institute, технологию уже внедрили 14% дата-центров по всему миру. Эксперты ожидают, что в будущем этот показатель вырастет из-за повышения плотности оборудования в ЦОД. Так как при большом количестве рядом стоящих серверов охлаждение воздухом затрудняется.

Ещё одна тенденция ^[15] — системы ИИ для управления кондиционирующими установками дата-центра. По оценке ^[16] исследовательских организаций, около 15–25% ЦОД уже используют такие алгоритмы машинного обучения. И ожидается, что в будущем популярность интеллектуальных технологий в ЦОД будет только увеличиваться.

• Unboxing: блейд-сервер Cisco UCS B480 M5 ^[17]
• Серверы для SAP: основные платформы ^[18]
• Unboxing all-flash СХД NetApp AFF A300: технические характеристики ^[19]

P.S. У нас есть Telegram-канал, где мы пишем о технологиях виртуализации и IaaS:

• Что там у VMware: три новинки ^[20]
• NetApp от А до Я: обзор технологий вендора ^[21]
• NetApp: продолжаем рассказывать о технологиях компании ^[22]

Автор: it_man

Источник ^[23]